Question

16．科學家利用太陽能分解水生成的氫氣在催化劑作用下與二氧化碳反應生成甲醇，并開發(fā)出直接以甲醇為燃料的燃料電池．已知H₂（g）、CO（g）和CH₃OH（l）的燃燒熱△H分別為-285.8kJ•mol^-1、-283.0kJ•mol^-1和-726.5kJ•mol^-1．請回答下列問題：
（1）用太陽能分解10mol液態(tài)水消耗的能量是2858kJ；
（2）甲醇不完全燃燒生成一氧化碳和液態(tài)水的熱化學方程式為CH₃OH（l）+O₂（g）=CO（g）+2 H₂O（l）△H=-443.5kJ•mol^-1；
（3）在溶積為2L的密閉容器中，由CO₂和H₂合成甲醇，在其他條件不變的情況下，考察溫度對反應的影響，實驗結果如圖所示（注：T₁、T₂均大于300℃），下列說法正確的是③④（填序號）
①溫度為T₁時，從反應開始到平衡，生成甲醇的平均速率為v（CH₃OH）=$\frac{{n}_{A}}{{t}_{A}}$mol•L^-1•min^-1
②該反應在T₁時的平衡常數比T₂時的小
③該反應為放熱反應
④處于A點的反應體系從T₁變到T₂，達到平衡時$\frac{n（{H}_{2}）}{n（C{H}_{3}OH）}$增大
（4）在直接以甲醇為燃料電池中，電解質溶液為酸性，負極的反應式為CH₃OH+H₂O-6e^-═CO₂+6H⁺．理想狀態(tài)下，該燃料電池消耗1mol甲醇所能產生的最大電能為702.1kJ．，則該燃料電池的理論效率為96.6%（燃料電池的理論效率是指電池所產生的最大電能與燃料電池反應所能釋放的全部能量之比）

Answer 1

分析 （1）氫氣的燃燒熱可知水分解吸收的能量，然后利用化學計量數與反應熱的關系來計算；
（2）根據CO和CH₃OH的燃燒熱先書寫熱方程式，再利用蓋斯定律來分析甲醇不完全燃燒生成一氧化碳和液態(tài)水的熱化學方程式；
（3）利用圖象中甲醇的變化來計算反應速率，并利用圖象中時間與速率的關系來分析T₁、T₂，再利用影響平衡的因素來分析解答；
（4）（2）甲醇燃料電池，甲醇在負極失電子發(fā)生氧化反應，氧氣在正極放電，酸性條件下生成水；
根據甲醇的燃燒熱計算2mol甲醇完全燃燒放出的熱量，結合原電池產生的電能計算．

解答 解：（1）H₂（g）的燃燒熱△H為-285.8kJ•mol^-1知，1molH₂（g）完全燃燒生成1molH₂O（l）放出熱量285.8kJ，即分解1mol H₂O（l）為1mol H₂（g）消耗的能量為285.8kJ，則分解10mol H₂O（l）消耗的能量為285.8kJ×10=2858kJ，
故答案為：2858；
（2）由CO（g）和CH₃OH（l）的燃燒熱△H分別為-283.0kJ•mol^-1和-726.5kJ•mol^-1，則
①CO（g）+$\frac{1}{2}$O₂（g）=CO₂（g）△H=-283.0kJ•mol^-1
②CH₃OH（l）+$\frac{3}{2}$O₂（g）=CO₂（g）+2 H₂O（l）△H=-726.5kJ•mol^-1
由蓋斯定律可知用②-①得反應CH₃OH（l）+O₂（g）=CO（g）+2 H₂O（l），
該反應的反應熱△H=-726.5kJ•mol^-1-（-283.0kJ•mol^-1）=-443.5kJ•mol^-1，
故答案為：CH₃OH（l）+O₂（g）=CO（g）+2 H₂O（l）△H=-443.5kJ•mol^-1；
（3）根據題給圖象分析可知，T₂先達到平衡則T₂＞T₁，由溫度升高反應速率增大可知T₂的反應速率大于T₁，又溫度高時平衡狀態(tài)CH₃OH的物質的量少，則說明可逆反應CO₂+3H₂?CH₃OH+H₂O向逆反應方向移動，故正反應為放熱反應，則T₁時的平衡常數比T₂時的大，③、④正確，②中該反應在T₁時的平衡常數比T₂時的大，故②錯誤，①中按照其計算速率的方法可知反應速率應為濃度的變化除以時間不是物質的量除以時間，故①錯誤，
故答案為：③④；
（4）酸性條件下甲醇燃料電池的總反應式為：CH₃OH+$\frac{3}{2}$O₂═CO₂+2H₂O①，酸性條件下該燃料電池的正極反應式為$\frac{3}{2}$O₂+6H⁺+6e^-═3H₂O②，①-②得電池負極反應式為：CH₃OH+H₂O-6e^-═CO₂+6H⁺；該燃料電池的理論效率為$\frac{702.1kJ}{726.5kJ}$×100%=96.6%．
故答案為：CH₃OH+H₂O-6e^-═CO₂+6H⁺；96.6%．

點評 本題考查較為綜合，涉及熱化學方程式的書寫、化學平衡的相關知識，該題對這些知識的要求比較高，綜合性強，解答本題比較費時，該題難度較大．